Niektóre z naszych poprzednich artykułów dotyczyły czujników stosowanych w samochodach osobowych. Teraz opisujemy rozwiązanie, które – choć nie jest najczęściej używanym czujnikiem w przemyśle motoryzacyjnym – posiada bardzo szeroki zakres zastosowań w innych segmentach branży.

W poniższym artykule przedstawiamy zasadę działania i budowę czujnika ultradźwiękowego, a także kilka przykładów jego stosowania w pojazdach i innych konstrukcjach.

Geneza

Podobnie jak w przypadku wszystkich naszych zmysłów, uszy posiadają pewien zakres percepcji, poniżej i powyżej którego nie jesteśmy w stanie słyszeć dźwięków. Fachowa literatura różnie umiejscawia górną i dolną granicę tego zakresu, ale zazwyczaj wskazuje się na 16 Hz lub 20 Hz (dolny zakres) oraz 16 000 Hz lub 20 000 Hz (górny zakres). Dokładna wartość zależy oczywiście od stanu zdrowia, wieku i wielu innych czynników fizjologicznych. Przy częstotliwości poniżej tej wartości mówimy o infradźwiękach, a powyżej o ultradźwiękach.

Dźwięk zachowuje się zatem jak fala, a jego prędkość rozprzestrzeniania się zależy w dużej mierze od ośrodka – w powietrzu, na wysokości 0 m n.p.m. w temperaturze 20°C, przemieszcza się z prędkością 340 metrów na sekundę. Nie zależy to od częstotliwości emitowanego dźwięku, ale ta ostatnia ma decydujący wpływ na to, jak daleko może on podróżować w atmosferze.

Infradźwięki mają niską częstotliwość i dużą długość fali, nie są więc najskuteczniejsze w bliskiej komunikacji, ale mogą przemieszczać się na duże odległości. Niektóre gatunki zwierząt są w stanie podążać za deszczem pustynnym, ponieważ z dużej odległości potrafią wykryć światło podczerwone w blasku błyskawicy.

Ultradźwięki są wchłaniane przez atmosferę znacznie szybciej, ale na mniejszych dystansach okazują się doskonałym miernikiem odległości. Najczęstszym przykładem ich zastosowania w przyrodzie są systemy komunikacji niektórych gatunków nietoperzy, które umożliwiają im polowanie. Nietoperz emituje ultradźwięki, więc potrafi bezszelestnie zbliżyć się do ofiary i dokładnie zlokalizować jej położenie, nawet w kompletnej ciemności.

Dokładnie tę samą metodę wykorzystują czujniki ultradźwiękowe.

Zasada działania

Czujniki ultradźwiękowe działają na zasadzie odbicia fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości w zakresie ultradźwiękowym. Po wyemitowaniu krótkiego, impulsowego sygnału czujnik przełącza się z trybu nadajnika w tryb odbiornika, czyli zmienia się z głośnika w mikrofon i wykrywa odbity sygnał.

W czujnikach ultradźwiękowych częstotliwość wykorzystywanego dźwięku mieści się w szerokim zakresie, zwykle między 30 a 300 kHz, a częstotliwość powtarzania impulsów wynosi od 1 do 100 Hz. Sygnały zakłócające z otoczenia, inne niż impulsy odbite, można wykluczyć za pomocą filtrów.

Poniższy przykład doskonale ilustruje działanie czujnika ultradźwiękowego.

W przypadku po lewej stronie nic nie znajduje się w polu widzenia czujnika, a jedynie ściana referencyjna, której położenie jest znane podczas testu.

Poniżej czujnika widzimy ekran przedstawiający dwa identyczne piki impulsów. Odległość między dwoma pikami na ekranie odpowiada odległości ściany od czujnika.

W drugim przypadku pomiędzy czujnikiem ultradźwiękowym a ścianą umieszczony jest obiekt w odległości „D”. Ponieważ obiekt ten nie przesłania całego pola widzenia, czujnik nadal będzie wykrywał ścianę, ale nie z tak silnym odbiciem sygnału, jak w pierwszym przypadku, gdy nic nie stało na drodze.

Czujnik otrzyma dwie odpowiedzi impulsowe: jedną od obiektu i jedną od ściany. Ponieważ obiekt znajduje się bliżej, sygnał odbiciowy powróci stamtąd szybciej.

Na prawym ekranie odległość między pierwszym a drugim punktem będzie odpowiadać odległości między obiektem a czujnikiem, podczas gdy pierwszy i trzeci pik będą nadal odpowiadać odległości między czujnikiem a ścianą.

Można zauważyć, że jeśli odległość od ściany jest znana (dzięki procesowi kalibracji), położenie dowolnego obiektu umieszczonego w strefie czujnika można określić niemal w czasie rzeczywistym.

Jest to prawdą choćby dlatego, że czujnik ultradźwiękowy nie ma ograniczeń materiałowych, jak w przypadku czujników indukcyjnych. Za jego pomocą można wykryć praktycznie każdy obiekt, niezależnie od materiału, kształtu, koloru, a częściowo także stanu skupienia: może to być ciecz lub proszek.

Charakterystyka

Napięcie robocze czujników wynosi zwykle 24 V, ale ich odległość przełączania jest bardzo szeroka, ponieważ są one używane w wielu obszarach – najczęściej jest to wartość od 100 milimetrów do 1 metra – to jednak strefa 10 metrów również nie należy do rzadkości.

Czujnik ten ma również słaby punkt: jednym z ograniczeń jest temperatura otoczenia. Czujnik ultradźwiękowy nie może być używany w temperaturach poniżej 0 °C i nie toleruje bardzo wysokich temperatur: 70 °C to górna granica.

Jego częstotliwość przełączania wynosi od 1 Hz do 125 Hz, a jego żywotność jest zazwyczaj długa. Urządzenie to jest umiarkowanie wrażliwe na zabrudzenia, dzięki czemu może być używane w zapylonych, wilgotnych i zadymionych środowiskach.

Praktyczne wdrożenia

Najprostszym i najpowszechniejszym sposobem wykorzystania w samochodach osobowych jest radar parkowania i kamera cofania. Są to prawie zawsze czujniki ultradźwiękowe.

Pojazdy samojezdne są zwykle wyposażone w takie czujniki z boku, choć w niektórych przypadkach zadania wykrywania odległości są również wykonywane przez czujniki optyczne (np. Tesla).

Poza przemysłem motoryzacyjnym, lista zastosowań jest nieskończona: wykrywanie produktów na liniach produkcyjnych (liczenie, sortowanie), a także jako popularne narzędzie do nieniszczącego testowania materiałów. Czujnik taki znajdziemy w sonarze torped, w urządzeniu wykonującym ciążowe testy ultrasonograficzne, do sprawdzania poziomu cieczy w różnych zbiornikach oraz w czujnikach ruchu systemów bezpieczeństwa.